§ 36. Кристаллы

Определения и обозначения

Кристалл — твёрдое тело, частицы которого расположены упорядоченно. Порядок внутри вещества связан с тем, какую форму может принимать кристалл и как он проявляет свои свойства. Поэтому для описания кристалла недостаточно рассмотреть только его поверхность: важно учитывать и строение внутри.

Кристаллическая решётка — модель упорядоченного расположения частиц в кристалле. В такой модели показывают, как расположение повторяется в пространстве. Она помогает представить строение твёрдого тела, которое нельзя увидеть целиком невооружённым глазом.

Узлы кристаллической решётки — места, в которых условно располагаются частицы кристалла. Узел на схеме не является пустой точкой: он обозначает частицу вещества. Частицами, образующими решётку, могут быть атомы, молекулы или ионы.

Анизотропия — зависимость некоторых свойств кристалла от направления. Например, твёрдость при измерении вдоль разных направлений может отличаться. Если же свойство одинаково во всех направлениях, его называют изотропным.

Как это устроено

В твёрдом теле частицы находятся близко друг к другу, но их взаимное расположение бывает разным. В кристалле оно упорядочено: частицы занимают определённые места, и сходное расположение повторяется. В теле с беспорядочным внутренним строением такого регулярного порядка нет. Именно поэтому кристаллическое и аморфное состояния различают по строению частиц, а не только по внешнему виду.

Чтобы описать повторяющийся порядок, используют модель кристаллической решётки. Представьте, что частицы отмечены точками, а расстояния и расположение между ними повторяются в разных частях вещества. Эти точки соответствуют узлам, то есть местам частиц, а вся схема позволяет увидеть общий порядок. Модель удобна тем, что помогает рассуждать о строении кристалла без изображения каждой его частицы в отдельности.

Внутренний порядок связан с правильной внешней формой: при росте частицы присоединяются к кристаллу в соответствии с его строением, и грани могут формироваться закономерно. Но кристалл не всегда успевает вырасти свободно и равномерно. Соседние тела, ограниченное место и другие внешние воздействия способны изменить его форму. Поэтому правильные грани помогают узнать кристалл, но их отсутствие само по себе не доказывает, что внутри нет решётки.

Некоторые свойства кристалла зависят от направления, потому что внутреннее расположение частиц и связи между ними в разных направлениях могут различаться. Это явление называют анизотропией. Например, если измерить твёрдость кристалла вдоль одного направления, а затем вдоль перпендикулярного ему, результаты могут быть разными. Значит, при описании свойств кристалла нужно указывать не только само свойство, но иногда и направление измерения.

Аморфные тела тоже твёрдые, однако у них нет дальнего порядка, характерного для кристаллов: частицы не образуют регулярное расположение, которое повторяется на больших расстояниях. Поэтому аморфное тело нельзя описать как кристалл с обычной решёткой. Например, соль относят к кристаллическим веществам, а стекло — к аморфным телам. Такое сравнение показывает, что одинаковое агрегатное состояние не означает одинаковое внутреннее строение.

Сравнение кристаллических и аморфных твёрдых тел

Сначала сравните порядок расположения частиц и наличие решётки: эти признаки показывают, к какому типу относится тело. Затем проверьте, могут ли свойства зависеть от направления. Поведение при нагревании также помогает различать типы твёрдых тел, но для вывода полезно учитывать несколько признаков, а не один.

Разбор задач

Задача 1. Нужно объяснить, почему соль относят к кристаллическим веществам, а стекло — к аморфным телам. Чтобы ответить, сравним не только внешний вид этих материалов, но прежде всего расположение их частиц внутри. Такой подход позволяет применить главное различие между двумя типами твёрдых тел.

1. Вспомним признак кристалла: его частицы расположены упорядоченно, и этот порядок повторяется.
2. Сопоставим с ним соль: её частицы образуют упорядоченное строение, которое описывают кристаллической решёткой.
3. У стекла, напротив, нет дальнего порядка, характерного для кристаллических тел, поэтому его относят к аморфным.

Ответ: соль — кристаллическое вещество, потому что её частицы расположены упорядоченно; стекло — аморфное тело, потому что дальнего порядка в его строении нет.

Задача 2. На схеме показаны частицы вещества, и нужно определить, изображена ли кристаллическая решётка, а затем указать её узлы. Одного впечатления, что схема выглядит аккуратно, недостаточно: необходимо проследить, повторяется ли расположение точек. После этого нужно правильно истолковать сами точки.

1. Проследим расположение частиц в разных частях схемы и найдём, повторяется ли один и тот же порядок.
2. Если расположение регулярно повторяется, перед нами модель кристаллической решётки; если точки размещены без повторяющегося порядка, решётка не показана.
3. В схеме с решёткой отметим места, соответствующие частицам. Именно эти места являются узлами, а не пустыми промежутками между точками.

Ответ: решётка изображена, если на схеме виден повторяющийся порядок; её узлы — места, в которых условно располагаются показанные частицы.

Задача 3. Твёрдость кристалла проверили в двух взаимно перпендикулярных направлениях и получили разные результаты. Требуется объяснить наблюдение и назвать свойство. Здесь важно связать результат проверки не с изменением состава, а с направлением измерения.

1. Сравним условия: измеряли одно и то же свойство одного кристалла, но в разных направлениях.
2. Разные результаты показывают, что твёрдость зависит от направления внутри кристалла.
3. Зависимость свойства от направления называется анизотропией; различие не означает, что состав кристалла изменился.

Ответ: результаты различаются из-за анизотропии кристалла — зависимости твёрдости от направления измерения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что правильная внешняя форма сама по себе доказывает наличие кристаллической решётки. Так рассуждают потому, что геометрические грани заметны, а внутреннее строение непосредственно не видно. Проверка: решётку характеризует упорядоченное расположение частиц внутри тела, а не только его очертания.

Ошибка — представлять узлы решётки пустыми точками. На схеме точки действительно могут выглядеть как отметки, но они нужны для обозначения мест частиц. Проверьте себя: в каждом узле условно располагается частица — атом, молекула или ион, а не пустота.

Ошибка — думать, что любой кристалл обязательно имеет идеальную геометрическую форму. Так можно решить, если спутать внутренний порядок с внешним видом. Рост в ограниченном месте и другие внешние воздействия способны изменить форму; поэтому оценивайте внутреннее строение, а не требуйте от каждого кристалла безупречных граней.

Ошибка — путать анизотропию с неоднородностью состава. Различие результатов измерений может навести на мысль, что в разных местах разные вещества, однако анизотропия означает зависимость свойства от направления. Чтобы проверить себя, сравните направление измерения: если свойство меняется при смене направления в кристалле, речь идёт об анизотропии.

Связь с другими темами

Для понимания кристаллов нужно знать, что вещества состоят из частиц, а твёрдое состояние сохраняет форму и объём. Эти сведения помогают перейти от наблюдаемого тела к его внутреннему строению. Представление о кристаллической решётке пригодится дальше при изучении свойств веществ и типов химической связи, поскольку свойства связаны с тем, как устроены частицы и как они взаимодействуют. Сравнение кристаллических и аморфных тел помогает объяснять поведение материалов в быту и технике.

Что запомнить

• В кристаллах частицы расположены упорядоченно.
• Кристаллическую решётку изображают как повторяющееся расположение узлов.
• В узлах решётки условно показывают частицы вещества.
• Внешняя форма кристалла связана с его внутренним строением.
• Анизотропия — зависимость свойств от направления.
• В аморфных телах нет дальнего порядка, характерного для кристаллов.